果蝇脑中突触可塑性的第一个直接证据

冷泉港实验室(CSHL)的科学家已经解决了一项长达数十年的关于动物学习时大脑如何被修改的争论。

使用新开发的工具来操纵特定的神经元群体，研究人员首次观察到突触可塑性的直接证据 - 神经元之间连接强度的变化 - 在果蝇大脑中，而苍蝇正在学习。

“我们展示了人们长期以来希望看到的东西，”团队负责人，CSHL副教授格伦特纳说，“我们非常明确地展示了这一点。”结果今天在线发表在Neuron杂志上。

由于果蝇神经解剖学的相对简单 - 只有两个突触将气味探测天线与称为蘑菇体的嗅觉记忆脑中心分开 - 小型昆虫为研究学习提供了强大的模式生物。

历史上，研究人员使用一种称为钙成像的技术监测蘑菇体内的神经元以及它们发送信号的其他神经元。这种方法使以前的研究人员能够观察伴随学习的神经活动的变化。然而，这种技术并未精确地揭示神经元的电活动是如何被修饰的，因为钙不是神经元信号传导中唯一的离子。

此外，尚不清楚所见的变化是如何与动物的行为有关。

CSHL的特纳及其同事和霍华德休斯医学研究所的Janelia研究园区能够放大飞行大脑中一个特别重要的部分，他们能够将神经活动与行为联系起来。该论文的第一作者Toshihide Hige利用他在电生理记录方面的专业知识直接检查该部位突触强度的变化。

研究人员将果蝇暴露于特定的测试气味，并在很短的时间内将它们置于人工的厌恶线索之下。为此，他们向蘑菇体内释放多巴胺的神经元发射了微小的激光束，这些神经元经过基因工程改造后可以响应光线。就像我们自己的神经元一样，苍蝇中的多巴胺释放神经元参与奖励和惩罚。“例如，呈现樱桃的气味，这通常是对苍蝇有吸引力的气味，同时刺激特定的多巴胺神经元，训练飞行以避免樱桃气味，“特纳解释道。

除了多巴胺神经元之外，该团队还发现了代表测试气味的神经元和代表苍蝇对该气味的行为反应的神经元。这些神经元彼此连接，而代表惩罚信号的多巴胺神经元调节该连接。然后，该团队记录了表示行为的神经元。这使他们能够发现在学习之前和之后这些神经元从气味代表神经元接收到的突触输入的任何变化。

引人注目的是，研究小组发现，随后出现的测试气味显着减少了突触输入，但没有控制气味。这种下降反映了学习产生的气味吸引力的下降。“突触强度的平均下降约为80% - 这是巨大的，”特纳说。

在未来的研究中，特纳计划利用可用于研究果蝇遗传学的强大工具来更好地理解学习的遗传成分。“我们现在有一种方法可以用遗传工具研究突触变化，以识别参与学习的分子，并在一定程度上理解这种现象，从而在分子和生理机制之间建立起来，”他说。

“这种机械化的理解水平将非常重要，”他补充道。“通常在分子水平上，你看到果蝇与包括人类在内的其他物种之间存在很强的联系。”

该发布中描述的研究得到了美国国立卫生研究院，霍华德休斯医学研究所，日本科学促进会和上原纪念基金会的支持。